ПОРШНЕВАЯ МАШИНА С ИЗМЕНЯЕМЫМ РАБОЧИМ ОБЪЕМОМ Российский патент 1995 года по МПК F02B75/04 F02D15/04 F02B75/32 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в насосостроении.

Известны силовые установки (СУ), состоящие из нескольких (например, двух) модульных ДВС, один из которых на частичной нагрузке с целью увеличения экономичности отключается, а другой работает на режиме полностью открытого дросселя [1]
Такая силовая установка громоздка, металлоемка, требует специальных быстродействующих устройств подключения к валам отбора мощности.

Наиболее близкой является поршневая машина с изменяемым рабочим объемом [2] содержащая корпус, по меньшей мере один цилиндр и установленный в нем поршень, связанный посредством штока через шарнир с первым плечом коромысла, коленчатый вал, связанный шатуном с шарниром второго плеча коромысла, подвижную опору, установленную с возможностью перемещения вдоль наклонной направляющей корпуса и вдоль коромысла и механизм фиксации от поперечных смещений.

Недостатком прототипа является то, что не определена зависимость связи положения направляющей подвижной опоры относительно продольной оси коромысла со степенью сжатия и рабочими ходами поршня, позволяющая сохранять постоянную степень сжатия двигателя при изменении его рабочего объема. Кроме того, механизм фиксации от поперечных смещений коромысла выполнен в виде линейного подшипника скольжения, что нежелательно для быстроходного двигателя вследствие повышенных потерь на трение.

Целью изобретения является повышение экономичности поршневой машины, в частности ДВС, при работе на частичных нагрузках.

Цель достигается тем, что поршневая машина с изменяемым рабочим объемом содержит корпус, по меньшей мере один цилиндр, поршень со штоком, установленный в цилиндре, двуплечее коромысло, установленное на подвижной опоре с возможностью поворота относительно оси последней, коленчатый вал, шарнирно связанный через шатун с первым плечом коромысла, наклонную направляющую, связанную с корпусом, механизм перемещения подвижной опоры и механизм фиксации коромысла от поперечных смещений, шток поршня шарнирно связан с вторым плечом коромысла, подвижная опора выполнена с возможностью перемещения вдоль коромысла и рабочей поверхности наклонной направляющей, причем механизм фиксации выполнен в виде опорного вала с шестернями, наклонной направляющей и зубчатых реек, размещенных на коромысле и взаимодействующих с шестернями, опорный вал кинематически связан с механизмом перемещения подвижной опоры, последняя размещена на опорном валу, продольная ось наклонной направляющей пересекает ось поворота коромысла при положении подвижной опоры, соответствующем минимальному рабочему объему, в верхней мертвой точке, а при положении подвижной опоры, соответствующем максимальному рабочему объему цилиндра, расстояние между продольной осью наклонной направляющей в сечении, включающем ось поворота коромысла, и проекцией продольной оси коромысла, соответствующей положению поршня в верхней мертвой точке при минимальном рабочем объеме, составляет величину δ=l₁/l(h_mах-h_min), где l длина коромысла;
l₁ длина одного из плеч коромысла при максимальном ходе поршня;
ε степень сжатия;
h_mах,h_min соответственно величины максимального и минимального ходов поршня.

На фиг.1 представлена кинематическая схема машины, поперечное сечение по одному из цилиндров; на фиг.2 механизм изменения положения подвижной опоры.

Поршневая машина содержит корпус, цилиндр 1, поршень 2, шток 3, коромысло 4, подвижную опору 5, наклонную направляющую 6, шатун 7, коленчатый вал 8.

Подвижная опора 5 может перемещаться как по наклонной направляющей 6, связанной с корпусом двигателя, так и одновременно по коромыслу 4 в пределах, ограниченных сечениями I-I и II и II, соответствующими минимальному и максимальному рабочим объемам. На фиг.1 механизм показан в положении верхней мертвой точки (ВМТ) поршня при минимальном рабочем объеме (подвижная опора находится слева в сечении I-I, ось коромысла 4 лежит на линии а₁-а₂). Положение оси а ₁ и а ₂ и а ₁-а ₂ соответствует нижней мертвой точке (НМТ) при максимальном и минимальном рабочих объемах. Эта схема поясняет пространственное расположение направляющей 6 следующим образом. Продольная ось наклонной направляющей b₁-b₂ пересекает ось поворота коромысла при положении подвижной опоры, соответствующем минимальному рабочему объему цилиндра. При положении подвижной опоры, соответствующем максимальному рабочему объему цилиндра (т. е. в сечении II-II), расстояние между осью поворота коромысла (и осью b₁-b₂ направляющей 6) и проекцией а₁-а₂ продольной оси коромысла, соответствующей положению поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), при минимальном рабочем объеме должно быть δl₁/l(l/ε -1)(h_mах-h_min), где l,l₁ соответственно длина коромысла и одно из его плеч при максимальном ходе поршня (фиг.1);
ε степень сжатия двигателя;
h_mах,h_min соответственно максимальный и минимальный ход поршня.

Такое положение неподвижной оси b₁-b₂ направляющей 6 позволяет сохранить неизменную степень сжатия при изменении рабочего объема двигателя. Если же при изменении рабочего объема возникает необходимость в переменной степени сжатия, то траектория оси b₁-b₂ может быть изменена.

Для фиксации пространственного положения коромысла 4, а также перемещения подвижной опоры 5 предлагается устройство, совмещающее обе эти функции (см. фиг.2).

На фиг.2 показаны коромысло 4, наклонная направляющая 6, закрепленная на корпусе 9, опорный вал 10, сухари 11, зубчатые рейки 12 коромысла и направляющая 13, шестерни 14, 15 перемещения коромысла и опорного вала 10, вал 16 управления рабочим объемом, а также узел 17 передачи вращения на опорный вал 10.

Поршневая машина с изменяемым объемом работает следующим образом.

При вращении коленчатого вала 8 шатун 7 совершает возвратно-поступательное и качательное движение. Связанное с нижней головкой шатуна 7 коромысло 4 совершает качательное движение, вращаясь вокруг оси опоры 5. Связанный с второй головкой коромысла шток 3 заставляет поршень 2 совершать возвратно-поступательные движения. Амплитуда движения поршня зависит от положения подвижной опоры 5 относительно коромысла: в сечении I-I амплитуда минимальная, при смещении к положению II-II амплитуда увеличивается. Тем самым изменяется рабочий объем цилиндра. Благодаря наклону неподвижной направляющей под углом к горизонтальной оси, поршень при любом рабочем объеме стремится к одному и тому же положению ВМТ по высоте цилиндра, однако при увеличенных объемах не достигает его из-за смещения неподвижной направляющей на величину δ. В результате этого обеспечивается постоянная степень сжатия при изменении рабочего объема.

Управление перемещением осуществляется (см.фиг.2) путем вращения вала 16 управления рабочим объемом. Затем через узел 17 передачи вращения, например червячную передачу (или иной известный механизм), вращение передается на опорный вал 10 и наглухо закрепленные на нем шестерни 14 и 15. Шестерня 15, обкатываясь по зубчатой рейке 13 наклонной направляющей 6, заставляет вал 10 совместно с сухарями 11 перемещаться в направлении стрелок А и Б. Тем самым осуществляется перемещение подвижной опоры по направляющей корпуса.

Шестерня 14, обкатываясь по зубчатой рейке 12 коромысла и одновременно совершая поступательное движение вместе с валом и сухарями 11, изменяет положение подвижной опоры относительно коромысла, но заставляет коромысло сохранять неизменное пространственное положение относительно корпуса. Параметры обеих пар зубчатых реечных зацеплений должны быть одинаковыми.

Сухари 11, скользящие в направляющих пазах, воспринимают вертикальную составляющую нагрузки от сил давления газов в цилиндре, горизонтальную составляющую воспринимают зубчатые реечные пары и узел 17 передачи вращения.

Вращение вала 16 управления рабочим объемом может осуществляться с помощью известных сервомеханизмов.

Использование двигателестроение. Сущность изобретения: поршневая машина содержит корпус, цилиндр, поршень, шток, коромысло, установленное на подвижной опоре. Последняя имеет возможность перемещаться как по наклонной направляющей, так и по коромыслу. Коленчатый вал через шатун связан с первым плечом коромысла, а поршень через шток - с вторым плечом коромысла. Механизм фиксации коромысла от поперечных смещений содержит опорный вал с шестернями и зубчатые рейки, размещенные на коромысле и наклонной направляющей. 2 ил.

ПОРШНЕВАЯ МАШИНА С ИЗМЕНЯЕМЫМ РАБОЧИМ ОБЪЕМОМ, содержащая корпус, по меньшей мере один цилиндр, поршень с штоком, установленный в цилиндре, двуплечее коромысло, установленное на подвижной опоре с возможностью поворота относительно оси последней, коленчатый вал, шарнирно связанный через шатун с первым плечом коромысла, наклонную направляющую, связанную с корпусом, механизм перемещения подвижной опоры и механизм фиксации коромысла от поперечных смещений, причем шток поршня шарнирно связан с вторым плечом коромысла, подвижная опора выполнена с возможностью перемещения вдоль коромысла и рабочей поверхности наклонной направляющей, отличающаяся тем, что механизм фиксации выполнен в виде опорного вала с шестернями и зубчатых реек, размещенных на коромысле и на наклонной направляющей и взаимодействующих с шестернями, опорный вал кинематически связан с механизмом перемещения подвижной опоры, причем подвижная опора размещена на опорном валу, продольная ось наклонной направляющей пересекает ось поворота коромысла при положении подвижной опоры, соответствующем минимальному рабочему объему цилиндра в верхней мертвой точке, а при положении подвижной опоры, соответствующем максимальному рабочему объему цилиндра, расстояние между продольной осью наклонной направляющей в сечении, включающем ось поворота коромысла, и проекцией продольной оси коромысла соответствующей положению поршня в верхней мертвой точке при минимальном рабочем объеме и составляет величину

где l длина коромысла;
l₁ длина одного из плеч коромысла при максимальном ходе поршня;
ε степень сжатия;
h_max, h_min соответственно величины максимального и минимального ходов поршня.